金屬組件焊接夾具設計方法及步驟

吳 濤

（江西江鈴集團奧威汽車零部件有限公司，江西 南昌 330000）

在工業產品制造業不斷變革的大環境下，要想使市場需求得到滿足，關鍵是要對焊接夾具設計理念與方針進行更新，真正做到以客戶視角為切入點，通過提高焊接精度的方式，為汽車質量提供保障。要想使焊接精度達到預期，實證有效的方法便是引入標準化設計模式，這也是本文所研究的主要內容。

1 焊接夾具設計方法

1.1 材料及結構

對夾具設計工作而言，選材是極為重要的環節，有關人員應以耐用性為依據，對適合材料進行篩選。調查結果表明，國內大部分焊接夾具所用材料，一般夾具本體采用45鋼調質HRC30-35；定位板多用T10，淬火52-62HRC,這樣耐磨；焊接夾具定位元件可選用45、40Cr等優質碳素結構鋼或合金鋼制造，或選用T8、T10等碳素工具鋼制造，并經淬火處理，以提高耐磨性。在開展相關工作時，以下內容應當引起重視：其一，薄板件往往存在易變性和剛性差的問題；其二，作為沖壓成形的焊接件，普遍存在空間曲面，這也決定其具有相對復雜的形狀以及結構；其三，如果沖壓件型腔較深，導致其出現形變的原因則是回彈和剛性差，而非傳統觀念所認為的只有剛性差。

1.2 焊接方法與流程

1.2.1 焊接方法

金屬組件所用焊接方法主要為電阻焊、氣體保護焊，前者對夾具所提出要求極為嚴格，其中，以機器人點焊、多點焊以及反作用焊尤甚。后者所采用保護氣體為CO2，該技術具有較電阻焊更廣的應用范圍，對夾具所提出要求也相對寬松。

1.2.2 焊接流程

金屬組件焊接過程可被拆分為組件—部件—總成。而利用組件對車身進行總成焊接的各環節的關系，通常為承前啟后并且相互獨立，由此可見，對總成焊接精度具有決定作用的部分為組件焊接精度，在某種程度上，組件焊接精度還會給焊接后工業產品的質量帶來影響[1]。要想使產品質量達到預期，關鍵是要確保組件/部件/總成夾具所對應定位基準，既具有繼承性，同時又具有高度統一性。另外，一旦有質量問題出現，有關人員應做到從多個角度分析問題成因，通過制定糾正方案的方式，確保類似問題不會再次出現。

2 焊接夾具設計步驟

2.1 CBR夾具設計

夾具是讓工件按照特定技術要求定位并緊固的一種工藝裝置，目前，主要被用來輔助加工、裝配以及檢測工件等工作的開展，屬于具有極高專用化程度的復雜工藝裝備。

雖然利用計算機為夾具設計工作提供幫助的研究從未停止，但所取得成果十分有限，迄今為止，仍然沒有出現能夠大范圍推廣并得到運用的商品軟件。近幾年，集成制造以及柔性制造行業快速發展，對夾具設計使用軟件進行研發成為大勢所趨，在對多方因素加以考慮后，有關人員決定借助CBR技術，設計能夠充分利用設計經驗的軟件，利用該軟件所開展設計工作，僅需對原有設計方案進行修改或組合，便可獲得符合項目需求的全新方案。

基于CBR開展夾具設計工作，強調利用計算機對人腦思維活動進行模擬，不僅使設計經驗得到了科學利用，還能夠確保獲得方案與實際情況相符。如果以KBS為參照，CBR的優勢主要體現在以下方面：第一，無需對模型/規則進行獲取，只收集現有事例即可，因此，即便缺少模型，有關人員仍可對CBR系統進行建立。第二，在落實相關工作時，只需對事例特征加以確定即可。此外，由于該系統始終處于擴充狀態，只要具有部分事例，便可完成夾具的設計。第三，無需從頭推算結果，而是以完整答案為依據，通過推理的方式得出最終結果，求解速度極快。第四，便于維護，對新事例進行增加，既滿足其學習的要求，還可使項目特點與需求得到準確反映。

2.2 標準化建庫

對夾具進行三維設計，前提是建立標準參數庫，按照行業標準，對參數庫存儲元件進行分類。在開展設計工作時，有關人員可以調用所需常用元件，通過更改參數的方式，獲得尺寸符合需求的元件，與此同時，參數庫也能夠得到擴充。在完成標準化建庫工作后，有關人員只需從中選用元件并裝配夾具，便可達到設計夾具的目的，事實證明，如果以原有方案為參考，該方案無論是設計耗時還是設計有效性，均更加接近理想狀態。

焊裝夾具適用參數庫的結構見圖1[2]。目前，被用來建立參數庫的工具，主要是具有部件族功能的UG，該功能強調以模板部件為依托，在建模電子表單的輔助下，快速獲得擁有相同形狀和不同參數的部件。事實證明，利用該功能建立通用件/標準件的參數庫，通常能夠取得事半功倍的效果。要想使其優勢得到充分發揮，以下內容需要有關人員引起重視：如果選擇利用該功能對一系列相似部件進行建立，無需對部件文件進行逐個建立，而是可以先對模板文件進行定義，再借助表格對其他部件參數進行定義。

圖1 夾具參數庫

2.3 夾具設計步驟

第一步，在對焊接夾具進行設計前，有關人員應深入了解產品特征、生產綱領和工藝要求，另外，生產線所采用布置方案，同樣是需要引起重視的部分。等到工藝調研環節告一段落，便可參考先進結構對夾具方案加以確定，方案應標明自動化、機械化水平需要達到的高度，以及能否共用主要夾具。

第二步，結合焊接設備規格與型號，參考焊接結構所展現出特點，對其定位和可用夾緊方式加以確定。隨后，根據沖壓件固有特點，以裝配工藝需求為導向，分別確定關鍵定位點還有一般定位點。

第三步，先確定主體機構，再確定可用輔助裝置。例如，液動元件/氣動元件；水電氣回路；在焊點外部覆蓋、為焊點提供保護的銅板。

第四步，由于焊接夾具普遍具有極為龐大的尺寸和復雜的空間結構，因此，對其進行設計所使用方法以模塊設計、坐標設計為主，這樣做可使設計效率得到顯著提高[3]。

第五步，當工作進行到設計具體結構的步驟時，有關人員應盡量增加標準化元件數量。若項目不具備大量使用標準化元件的條件，則應將工作重心轉向對元件系列化以及通用化水平進行提高上。

2.4 實際案例分析

在對金屬組件所用焊裝夾具進行設計時，有關人員所遵循原則如下：其一，對設計要求加以明確。其二，確保設計方案符合實際需求。其三，通過干涉檢查設計夾具的方式，為其質量提供保證。而本項目的設計要求，主要可被歸納為三點，分別是：①只需添加調整墊片，就可使空間坐標軸方向發生更改；②結合不同部位所輸入熱量，對材料以及熱處理方法加以選擇；③著重考慮夾具操作是否方便，以及焊槍干涉情況。

上述焊裝夾具的設計步驟如下：首先，將底板添加到數模中，確保底板高度為整數，這樣做的目的是保證不同組件對應支座地面處于相同平面。其次，以產品定位為開端，對零件設計進行逐個添加，其順序為①定位銷②連接塊③連接板④支座，最應當引起重視的部分為定位銷（如圖2）。待底板添加環節告一段落，有關人員便可獲得一個完整的單元組件。再次，以工件數模對應定位基準為依據，對所需部件進行設計。最后，添加腳輪以及其他所需附件。至此，夾具設計工作結束。

圖2 定位銷的位置尺寸精度

3 結語

文章圍繞金屬組件焊接夾具設計適用標準化技術展開了討論，在對標準數據庫進行建立的基礎上，結合實際案例對該方案的使用效果進行了分析。事實證明，基于標準參數庫開展設計工作，可使設計周期得到有效縮短，隨著市場需求得到滿足，工業制品生產企業所獲經濟效益也更加符合預期，這對相關企業及行業發展而言，均具有重要意義。